具有不同厚度的半板的雙極板和相關(guān)的燃料電池電堆的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的雙極板(10)，其包括具有第一厚度(21)的第一半板(20)和具有第二厚度(31)的第二半板(30)，其中，所述第一半板(20)和第二半板(30)分別通過它們的平面?zhèn)认鄬Φ夭贾?，并且所述第一半?20)在其外側(cè)構(gòu)成用于第一工作介質(zhì)的第一流動區(qū)域(22)，并且所述第二半板(30)在其外側(cè)構(gòu)成用于第二工作介質(zhì)的第二流動區(qū)域(32)。在此規(guī)定，所述第一半板(20)的第一厚度(21)至少分段地且平均地小于所述第二半板(30)的第二厚度(31)。
【專利說明】
具有不同厚度的半板的雙極板和相關(guān)的燃料電池電堆
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的雙極板，其包括具有第一厚度的第一半板和具有 第二厚度的第二半板，其中，所述第一半板和第二半板分別通過其平面?zhèn)认鄬Φ夭贾?，并?所述第一半板在其外側(cè)構(gòu)成用于第一工作介質(zhì)的第一流動區(qū)域(Flussfeld)，并且所述第 二半板在其外側(cè)構(gòu)成用于第二工作介質(zhì)的第二流動區(qū)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃料電池利用具有氧氣的燃料變?yōu)樗幕瘜W(xué)變化，用于產(chǎn)生電能。為此，燃料電池 包含作為核心部件的所謂的膜電極單元(MEA，membrane electrode assembly)，該膜電極 單元由傳導(dǎo)離子的、尤其傳導(dǎo)質(zhì)子的膜和分別在膜的兩側(cè)布置的電極（陽極和陰極)構(gòu)成。 在燃料電池運行時，燃料、尤其氫氣H2或含有氫氣的氣體混合物被輸入到陽極，在那里在放 出電子的情況下開始電化學(xué)氧化反應(yīng)(H 2->2H++2er)。通過將反應(yīng)室氣密地隔離且電絕緣的 膜，質(zhì)子H+被(含水或不含水地)從陽極室運輸?shù)疥帢O室。在陽極上提供的電子eT通過電路向 陰極導(dǎo)入。陰極輸入氧氣或者含氧的氣體混合物，使得在吸收電子的情況下開始氧氣的還 原（l/20 2+2eT->02-)。同時，在陰極室內(nèi)氧陰離子與通過膜運輸?shù)馁|(zhì)子在構(gòu)成水的情況下進 行反應(yīng)（2H++0 2-->H2〇)。
[0003] 通常，燃料電池通過多個在電堆(堆棧）中布置的膜電極單元構(gòu)成，它們的電路相 疊加。在燃料電池電堆中在兩個膜電極單元(MEA)之間分別布置雙極板裝置(也稱雙極板）， 該雙極板裝置用于將反應(yīng)氣體輸入相鄰的膜電極單元的陽極和陰極。此外，雙極板裝置用 于導(dǎo)出熱量。此外，雙極板由導(dǎo)電材料構(gòu)成，用于建立電連接。由此，雙極板具有三重功能， 膜電極單元的反應(yīng)氣體供應(yīng)，膜電極單元的冷卻和電連接。雙極板通常由兩個凹凸成型 (profilierten)的雙極半板構(gòu)成，即所謂的陽極板和陰極板，在它們之間形成冷卻劑通道。
[0004] 在現(xiàn)有技術(shù)中，已知雙極板和燃料電池電堆的緊湊的結(jié)構(gòu)。
[0005] DE 11 2005 003 103 B4描述了一種具有雙極板的燃料電池電堆，其具有兩個局 部交錯嵌套的半板。這作為一個解決方案，用于嵌套結(jié)構(gòu)區(qū)域和未嵌套結(jié)構(gòu)區(qū)域之間的過 渡。在此，所述過渡在燃料電池電堆的活化區(qū)域和未活化區(qū)域之間。
[0006] DE 10 2013 208 450 Al所示的雙極板所要解決的技術(shù)問題是，減小結(jié)構(gòu)高度，同 時獲得功率密度。為此，雙極板的結(jié)構(gòu)包括兩個板層。兩個板層中的每一個均具有在橫截面 中具有拱起和凹陷的周期的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有相同的周期長度。兩個板層交錯插接，使得在 板層的拱起和凹陷之間構(gòu)成冷卻劑通道。
[0007] 通常，已知的雙極板的兩個半板具有相同的厚度。
[0008] 在雙極板的設(shè)計中原則性的目標是，減小重量、減小熱容量、減小結(jié)構(gòu)空間、降低 成本以及提高功率密度。該標準對于移動地使用燃料電池是重要的，例如用于車輛的電動 機牽引。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，進一步減小雙極板的并由此減小燃料電池的重量 和熱容量。
[0010] 所述技術(shù)問題按照本發(fā)明通過一種用于燃料電池的雙極板解決，所述雙極板包括 具有第一厚度的第一半板和具有第二厚度的第二半板，其中，所述第一半板和第二半板分 別通過其平面?zhèn)认鄬Φ夭贾茫⑶宜龅谝话氚逶谄渫鈧?cè)構(gòu)成用于第一工作介質(zhì)的第一流 動區(qū)域，并且所述第二半板在其外側(cè)構(gòu)成用于第二工作介質(zhì)的第二流動區(qū)域，在此規(guī)定，所 述第一半板的第一厚度至少分段地且平均地小于所述第二半板的第二厚度。
[0011] 在本發(fā)明的另外的方面中，所述技術(shù)問題按照本發(fā)明通過一種燃料電池電堆解 決，所述燃料電池電堆包括多個按照本發(fā)明的雙極板和多個膜電極單元，其中，這些雙極板 和膜電極單元相互交替地堆疊。
[0012] 按照本發(fā)明，由此雙極板的兩個半板中的一個具有小于另一個半板的板厚度。在 此，雙極板的承載負荷的功能、尤其在流動區(qū)域的區(qū)域中通過雙極板的兩個半板中的更厚 的半板承擔(dān)。與之相對地，較薄的半板的功能基本僅局限在物理地分隔工作介質(zhì)、即分隔氣 體的陽極工作介質(zhì)和陰極工作介質(zhì)和在兩個半板之間流動的冷卻劑以及導(dǎo)電和導(dǎo)熱功能。
[0013] 按照本發(fā)明的實施方式，兩個半板中的第一半板具有比另一個半板更小的厚度， 由此實現(xiàn)了雙極板和燃料電池電堆的重量的降低，燃料電池電堆通常具有數(shù)百個雙極板。 這種重量的降低使得在燃料電池應(yīng)用于車輛時節(jié)省了燃料。可理解的是，通過較少材料也 可以節(jié)省材料成本。
[0014] 同時，通過雙極板的重量減輕也降低了它的熱容量。由此，在燃料電池電堆冷啟動 時，通常在兩個半板之間流動的且在該階段中被加熱的冷卻劑更快地加熱兩個半板中的較 薄的板，并且由此更快地加熱通過所述半板向催化電極輸入的工作介質(zhì)。由此，燃料電池更 早地開始反應(yīng)，并且雙極板以及燃料電池電堆的冷啟動由此被優(yōu)化。
[0015] 另外的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)體積的減小。通過第一半板的相對于現(xiàn)有技術(shù)的更薄的實施 方式影響雙極板的厚度以及燃料電池電堆的整個電堆高度。
[0016] 在優(yōu)選實施方式中規(guī)定，所述第一半板的第一厚度最高等于所述第二半板的第二 厚度的80 %、尤其最高70 %、優(yōu)選最高60 %。在此，盡可能薄地選擇厚度，并保證半板仍能實 現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完整性(Integrit^it)，以便確保其制造、例如深拉或擠壓，而不會損傷板材。如果例 如第一半板的厚度相對于第二半板的厚度減少25%，則雙極板的質(zhì)量、包括其熱容量減少 12.5%〇
[0017] 半板的絕對厚度與材料相關(guān)。半板優(yōu)選由金屬或金屬合金制造，因為金屬膜是尤 其機械穩(wěn)定的。此外，所使用的金屬具有較高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性。特別優(yōu)選地使用不銹鋼。 [00 18]在優(yōu)選實施方式中規(guī)定，所述第一半板的第一厚度最小等于0.06mm(60ym)并且最 大等于0.15mm( 150μηι)、尤其最小等于0.07mm并且最大等于0.12mm、優(yōu)選最小等于0.075mm 并且最大等于0.10mm。在該實施例中，第一半板在燃料電池電堆中具有所需的電堆的支撐 能力情況下被使用。由此，這可以確保另一個半板的結(jié)構(gòu)完整性。
[0019] 在此，更厚的第二半板優(yōu)選具有0.1至0.2mm的厚度。這基本上等于現(xiàn)有技術(shù)中通 常的強度。
[0020] 在優(yōu)選實施方式中規(guī)定，所述第一半板的第一厚度在所述第一半板的整個伸展范 圍內(nèi)小于所述第二半板的第二厚度。這種實施方式使得可使用單一材料強度的原材料、尤 其金屬膜用于制造。由此，半板可以由無縫帶通過成型（例如擠壓)和剪切以簡單和廉價的 方式制造。此外，以這種方式在雙極板的整個伸展范圍內(nèi)節(jié)省材料，使得整個板材都具有所 述的有利的效果。
[0021] 按照本發(fā)明的雙極板的半板優(yōu)選至少在流動區(qū)域的區(qū)域中、也就是在活化區(qū)域以 及主供應(yīng)通道和活化區(qū)域之間的分配區(qū)域中構(gòu)造為凹凸成型。凹凸成型結(jié)構(gòu)在此包括在半 板的兩側(cè)的流動通道，其中，用于外側(cè)的氣態(tài)的工作介質(zhì)的流動通道相當于在內(nèi)側(cè)上的壁 狀的隆起，并且反之亦然。在兩個半板的組裝狀態(tài)下，在半板之間、即在其內(nèi)側(cè)之間提供有 用于冷卻劑的流動通道。
[0022] 在優(yōu)選實施方式中，兩個半板如此組裝，使得它們的凹凸成型結(jié)構(gòu)至少部分交錯 地相互嵌套，即交錯布置。在此，相應(yīng)從兩個半板的內(nèi)側(cè)的視角看，一個板上的壁狀的隆起 插入另一個板的通道中。在此，兩個半板之間還保留有用于冷卻劑的空間，在該實施方式 中，半板具有不同的通道深度，其中較淺的通道插入較深的通道中。通過雙極板的嵌套結(jié) 構(gòu)，減少了它們的總厚度，也減少了內(nèi)部的冷卻劑通道的容積。與嵌套結(jié)構(gòu)相關(guān)地，兩個半 板中的一個半板的較薄的壁厚有利地使得冷卻劑通道具有更大的容積并且由此減少了冷 卻劑的壓力損失。
[0023] 在優(yōu)選實施方式中規(guī)定，所述第一半板是陽極板，并且所述第一流動區(qū)域是用于 燃料電池的陽極工作氣體的陽極流動區(qū)域，并且所述第二半板是陰極板，并且所述第二流 動區(qū)域是用于陰極工作氣體的陰極流動區(qū)域。在該實施例中，陽極板由此相當于具有較薄 壁厚的第一半板。有利的是，陽極側(cè)的流動區(qū)域的通道結(jié)構(gòu)的容積與較大的壁厚相比被擴 大，使得陽極工作介質(zhì)、例如氫氣承受較低的壓力損失。由此，降低了在陽極上缺少燃料的 風(fēng)險。由此，在陽極側(cè)的氣體擴散層的選擇不是如現(xiàn)有技術(shù)一樣被較高的氣體通過性的條 件所限制，而是在另外的性能方面能夠被優(yōu)化，例如在其導(dǎo)電性或?qū)嵝苑矫?。由此，可?使用在現(xiàn)有技術(shù)中無法使用的用于陽極側(cè)的氣體擴散層的材料。
[0024] 在備選實施方式中規(guī)定，所述第一半板是陰極板，并且所述第一流動區(qū)域是用于 燃料電池的陰極工作氣體的陰極流動區(qū)域，并且所述第二半板是陽極板，并且所述第二流 動區(qū)域是用于陽極工作氣體的陽極流動區(qū)域。在該實施例中，陰極板由此相當于具有較薄 壁厚的第一半板。有利的是，陰極側(cè)的流動區(qū)域的通道結(jié)構(gòu)的容積與較大的壁厚相比被擴 大，使得陰極工作介質(zhì)、例如空氣承受較低的壓力損失。此外，該設(shè)計方案導(dǎo)致功率密度的 一定的升高，因為陰極板的材料與較大壁厚的陰極板相比占用較小的空間。
[0025] 在本發(fā)明的另外的方面中涉及一種交通運輸工具，具有按照本發(fā)明的燃料電池電 堆。所述交通運輸工具尤其涉及將所裝配的電動機作為牽引發(fā)動機的交通運輸工具，所述 交通運輸工具通過燃料電池電堆獲得其電驅(qū)動能量。
[0026] 在本申請中所述的不同的本發(fā)明的實施方式既可以單獨實施也可以優(yōu)點相互接 合地實施。
【附圖說明】
[0027] 以下結(jié)合附圖借助實施例進一步闡述本發(fā)明。在附圖中：
[0028]圖1示出燃料電池電堆的立體圖，
[0029]圖2示出燃料電池電堆的分解圖，
[0030] 圖3示出雙極板的俯視圖，
[0031] 圖4示出燃料電池電堆的完整剖視圖。
【具體實施方式】
[0032]圖1和2示出例如安置在電動車輛中的燃料電池電堆70的立體圖和分解圖。圖4示 出燃料電池電堆70的剖視圖。在此，圖2和4僅僅示出兩個示例性的單電池。然而燃料電池電 堆通常包括100或更多個單電池。
[0033]燃料電池電堆70基本上由交替布置的雙極板10和膜電極單元50組成，它們在兩個 端板71、72之間借助拉緊件73或類似元件被夾緊。此外，在圖2中還可看到兩個平面密封件 74、75，它們對兩個最外側(cè)的雙極板10進行密封。在附圖中未示出的是，在雙極板10和膜電 極單元50之間的密封件。
[0034]根據(jù)圖4,每個膜電極單元(MEA)50均具有傳導(dǎo)離子的膜51、尤其聚合物電解質(zhì)膜， 以及兩個在兩側(cè)與膜51相接觸的催化電極、即陽極52和陰極53。此外在圖4中還示出氣體擴 散層54、55,這些氣體擴散層54、55分別布置在雙極板10和膜電極單元50之間。陰極層或陽 極層53或52可以直接安置在膜51上。在這種情況下，人們也稱其為催化劑涂層膜CCM。備選 地，電極層52、53安置在相鄰的氣體擴散層54、55上，其隨之也被稱為氣體擴散電極。兩個雙 極板10與位于其間的膜電極單元50共同構(gòu)成一個單電池。
[0035] 圖3示出雙極板10的俯視圖（在此作為圖2的另外的詳細視圖方式）。雙極板10包括 兩個半板20、30，在圖3中僅能示出陽極側(cè)的半板20，其遮蓋了陰極側(cè)的半板30。半板20、30 優(yōu)選由金屬板材構(gòu)成。
[0036] 每個膜電極單元50和每個雙極板10均分別具有六個相對應(yīng)的開口，它們在電堆中 彼此相疊地且由此貫穿電堆地構(gòu)成主通道。主通道用于向電堆提供三種工作介質(zhì)，即陽極 工作介質(zhì)(尤其氫氣）、陰極工作介質(zhì)(尤其空氣)和冷卻劑。在此，對于每個工作介質(zhì)分別設(shè) 有輸入通道和輸出通道。由此，雙極板1〇(參見圖3)具有兩個用于陽極氣體的輸入和輸出的 開口 11、12、兩個用于陰極氣體的輸入和輸出的開口 13、14和兩個用于冷卻劑的輸入和輸出 的開口 15、16。
[0037]兩個半板20和30分別具有凹凸成型結(jié)構(gòu)，該凹凸成型結(jié)構(gòu)在外表面上構(gòu)成流動區(qū) 域22和32。每個流動區(qū)域22、32包括多個反應(yīng)物通道(參見圖4)，即陽極通道23和陰極通道 33，它們通過相應(yīng)的開口 11、12以及13、14流體導(dǎo)引地交匯。由此，陽極工作介質(zhì)(氫氣)流動 穿過開口 12,該陽極工作介質(zhì)通過在陽極側(cè)的半板20上的相應(yīng)的分配通道被導(dǎo)入在反應(yīng)區(qū) 域內(nèi)的流動區(qū)域22中，并且通過相應(yīng)的分配通道和開口 11輸出。在圖3中被遮蓋的陰極側(cè) 上，陰極工作介質(zhì)（空氣)流動穿過開口 13,該陰極工作介質(zhì)通過陰極側(cè)的半板30上的相應(yīng) 的分配通道被導(dǎo)入在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的流動區(qū)域32中，并且通過相應(yīng)的分配通道和開口 14輸 出。冷卻劑通過開口 15被輸入到冷卻劑通道17內(nèi)并且通過開口 16輸出。
[0038]按照本發(fā)明，雙極板10的兩個半板20和30具有至少逐段不同的厚度。
[0039]這在圖4的實施例中可以看到。
[0040]在該實施例中，半板20(在此為陽極板)的厚度21小于半板30(在此為陰極板)的厚 度31。在所示的實施例中，第二半板30具有0.1 mm的厚度31，并且第一半板20具有0.075mm的 厚度21。由此，第一半板20的厚度21是第二半板30的厚度31的75%。相對于現(xiàn)有技術(shù)中的雙 極板，其中兩個半板具有例如至少O. Imm的相同的厚度，按照本發(fā)明的方式，雙極板10的重 量減少了 12.5%。以相同的程度減低了熱容量。
[0041]較厚的第二半板30在燃料電池電堆70中作為結(jié)構(gòu)整體的支架。較薄的第一半板 20,其基本上僅使得工作介質(zhì)和電路分離，該第一半板由此可以在其厚度21方面最小化。因 此，半板20可以采用小于0.15mm或甚至小于0.1 mm的第一厚度21。
[0042]在圖4中還可以看到，兩個半板具有交錯嵌接、嵌套的結(jié)構(gòu)，其中，半板20的凹槽嵌 入半板30的相應(yīng)的凹槽中。為此，第一半板20和第二半板30的凹槽在其成型深度方面是不 同的。這使得，當兩個半板20、30交錯插接時，在兩個半板20、30之間形成冷卻劑通道。
[0043]在圖4所示的實施例中，陽極側(cè)的半板20具有較小的厚度。優(yōu)點在于，由此增大了 陽極流動區(qū)域22的流動通道的通道容積，并且減小了氫氣的壓力損失。從而可以使用陽極 側(cè)的氣體擴散層54，該氣體擴散層在其氣體通過性方面不必是優(yōu)化的或最佳的。
[0044]在未示出的備選的實施方式中，陰極側(cè)的半板30可以具有比陽極側(cè)的半板20更小 的層厚度。
[0045] 根據(jù)電堆方向處于下方的半板具有更大的厚度，因為這個半板具有更大或更強的 支撐功能，由此原則上在穩(wěn)定性方面是有利的。
[0046] 附圖標記列表
[0047] 1〇 雙極板
[0048] 11、12 用于陽極工作介質(zhì)的開口
[0049] 13,14 用于陰極工作介質(zhì)的開口
[0050] 15、16 用于冷卻劑的開口
[0051] 17 冷卻劑通道
[0052] 20 第一半板
[0053] 21 第一厚度
[0054] 22 第一流動區(qū)域
[0055] 23 反應(yīng)物通道
[0056] 30 第二半板
[0057] 31 第二厚度
[0058] 32 第二流動區(qū)域
[0059] 33 反應(yīng)物通道
[0060] 50 膜電極單元
[0061] 51 膜
[0062] 52 催化電極/陽極
[0063] 53 催化電極/陰極
[0064] 54 氣體擴散層
[0065] 70 燃料電池電堆
[0066] 71 第一端板
[0067] 72 第二端板
[0068] 73 拉緊件
[0069] 74 第一平面密封件
[0070] 75 第二平面密封件
【主權(quán)項】
1. 一種用于燃料電池的雙極板（10)，其包括具有第一厚度(21)的第一半板(20)和具有 第二厚度(31)的第二半板(30)，其中，所述第一半板(20)和第二半板(30)分別通過它們的 平面?zhèn)认鄬Φ夭贾?，并且所述第一半?20)在其外側(cè)構(gòu)成用于第一工作介質(zhì)的第一流動區(qū) 域(22)，并且所述第二半板(30)在其外側(cè)構(gòu)成用于第二工作介質(zhì)的第二流動區(qū)域(32)，其 特征在于，所述第一半板(20)的第一厚度(21)至少分段地且平均地小于所述第二半板(30) 的第二厚度(31)。2. 按照權(quán)利要求1所述的雙極板（10)，其特征在于，所述第一半板(20)的第一厚度(21) 最高等于所述第二半板(30)的第二厚度(31)的80%、尤其最高70%、優(yōu)選最高60%。3. 按照權(quán)利要求1或2所述的雙極板（10)，其特征在于，所述第一半板(20)的第一厚度 (21)在所述第一半板(20)的整個伸展范圍內(nèi)小于所述第二半板(30)的第二厚度(31)。4. 按照前述權(quán)利要求之一所述的雙極板（10)，其特征在于，所述第一半板(20)的第一 厚度（21)最小等于0.06mm并且最大等于0.15mm、尤其最小等于0.07mm并且最大等于 0.12mm、優(yōu)選最小等于0.075mm并且最大等于0.10mm。5. 按照權(quán)利要求1至4之一所述的雙極板（10)，其特征在于，所述第一半板(20)是陽極 板，并且所述第一流動區(qū)域（22)是用于燃料電池電堆（70)的陽極工作氣體的陽極流動區(qū) 域，并且所述第二半板(30)是陰極板，并且所述第二流動區(qū)域(32)是用于陰極工作氣體的 陰極流動區(qū)域。6. 按照權(quán)利要求1至4之一所述的雙極板（10)，其特征在于，所述第一半板是陰極板，并 且所述第一流動區(qū)域是用于燃料電池電堆的陰極工作氣體的陰極流動區(qū)域，并且所述第二 半板是陽極板，并且所述第二流動區(qū)域是用于陽極工作氣體的陽極流動區(qū)域。7. 按照前述權(quán)利要求之一所述的雙極板（10)，其特征在于，所述第一和第二半板(20、 30)構(gòu)造為凹凸成型，并且這種凹凸成型結(jié)構(gòu)至少部分交錯地相互嵌套。8. -種燃料電池電堆(70)，包括多個按照前述權(quán)利要求之一所述的雙極板（10)和多個 膜電極單元(50)，這些雙極板(10)和膜電極單元(50)相互交替地堆疊。9. 一種交通運輸工具，包括按照權(quán)利要求8所述的燃料電池電堆(70)。
【文檔編號】H01M8/04044GK106067558SQ201610227374
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年4月13日 公開號201610227374.6, CN 106067558 A, CN 106067558A, CN 201610227374, CN-A-106067558, CN106067558 A, CN106067558A, CN201610227374, CN201610227374.6
【發(fā)明人】I.斯圖爾特, C.M.齊利克, T.施瓦茨
【申請人】大眾汽車有限公司